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ES2388029B1 - Sistema robótico para cirugia laparoscópica. - Google Patents

Sistema robótico para cirugia laparoscópica. Download PDF

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ES2388029B1
ES2388029B1 ES200901313A ES200901313A ES2388029B1 ES 2388029 B1 ES2388029 B1 ES 2388029B1 ES 200901313 A ES200901313 A ES 200901313A ES 200901313 A ES200901313 A ES 200901313A ES 2388029 B1 ES2388029 B1 ES 2388029B1
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arms
articulated
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Josep Amat Girbau
Alicia Casals Gelpi
Manel Frigola Bourlon
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Universitat Politecnica de Catalunya UPC
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Universitat Politecnica de Catalunya UPC
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Abstract

Sistema robótico para cirugía laparoscópica.#Comprende una estructura de soporte (230) donde se acopla de manera deslizante al menos un brazo (210; 220). Cada brazo (210; 220) comprende un primer y un segundo elemento (300, 400) articulados entre sí. El primer elemento (300) está articulado de manera giratoria en la estructura de soporte (230) y puede girar alrededor de un eje longitudinal (L1) y. el segundo elemento (400) puede recibir una articulación de por lo menos dos grados de libertad (550) para el acoplamiento de una herramienta (900). El eje longitudinal (L1) del primer elemento (300) es substancialmente perpendicular a un eje de articulación (L2) del primer elemento (300) y el segundo elemento (400).#Se obtiene una arquitectura simplificada que permite un movimiento espacial preciso y eficaz de la herramienta que sujeta el brazo (210; 220).

Description

SISTEMA ROBÓTICO PARA CIRUGÍA LAPAROSCÓPICA
5
Campo de la invención
1 O
La presente invención se refiere a un sistema robótica destinado a la sujeción y manejo de una herramienta o útil quirúrgico para cirugía, en particular para cirugía laparoscópica mínimamente invasiva. El sistema robótica de la invención comprende una estructura de soporte en la cual se acopla de manera deslizante uno o varios brazos que pueden accionarse de manera remota desde una estación de teleoperación.
15
Cada uno de dichos brazos acoplados a la estructura de soporte está configurado como un conjunto articulado formado por dos elementos. Ambos elementos están articulados entre sí y, a su vez, el primer elemento puede girar respecto a la estructura de soporte.
20 25 30
Antecedentes de la invención La invención tiene aplicación general en el campo de la cirugía robótica y en particular en el campo de la cirugía mínimamente invasiva. En la cirugía mínimamente invasiva se realizan incisiones de menores dimensiones respecto a las realizadas en una intervención convencional, lo que requiere un accionamiento muy preciso de la herramienta quirúrgica. A través de tales incisiones se realizan las operaciones quirúrgicas, incluyendo la introducción de cámaras de visión (laparoscopia) para obtener la imagen de órganos internos y transmitirlas a un monitor de televisión a través del cual el cirujano puede guiarse para realizar dichos procedimientos quirúrgicos. Estos procedimientos quirúrgicos a través de cirugía robótica se realizan a distancia utilizando estaciones de teleoperación conectadas a un sistema robótica por medio de líneas de comunicación dedicadas.
35
Los sistemas robóticas comprenden arquitecturas diseñadas para comportarse de manera similar al brazo humano, permitiendo ubicar el extremo de un brazo robot en distintas posiciones. Dichas arquitecturas están
formadas por uno o varios brazos montados en una estructura de soporte y
formados por elementos articulados de manera que pueden moverse en el
espacio adecuadamente para accionar una herramienta, órgano terminal o
efector final, tal como una pinza u otro dispositivo para realizar operaciones
5
quirúrgicas. Su movimiento va accionado a través de las órdenes recibidas a
distancia a través de la estación de teleoperación.
Cada uno de dichos brazos es una estructura articulada formada por varios
elementos articulados entre sí y montados de manera giratoria respecto a la
1 O
estructura de soporte. Un ejemplo de arquitectura de hrazo robótico de
elementos articulados es el robot conocido como Scara, que presenta libertad
de movimientos en los ejes X e Y, si bien están limitados en sus
desplazamientos en el eje vertical Z, donde normalmente se realizan
manipulaciones simples y en desplazamientos de corta distancia.
15
Las limitaciones de estas arquitecturas normalmente se suplen a través de un
uso intensivo de electrónica y mecanismos complejos para disponer un
sistema robótico adecuado para la cirugía mínimamente invasiva. Esto
implica un sistema robótico indeseablemente costoso debido a la gran
20
complejidad del conjunto.
El documento US2003208186 describe un mecanismo robótico de tres grados
de libertad que compre!lde una estructura de soporte en la cual se acopla de
manera deslizante verticalmente un brazo. El brazo está formado por un
25
primer elemento y un segundo elemento articulados entre sí. El primer
elemento está articulado a la vez estructura de soporte y a través del mismo
puede posicionarse una herramienta. Sin embargo, esta arquitectura presenta
el inconveniente de que no permite orientar la herramienta adecuadamente
para poder introducirla mediante de un instrumento de cirugía (trocar).
30
El documento US5762458 se refiere a un sistema para realizar intervenciones
de cirugía cardíaca mínimamente invasiva. Dicho sistema está constituido por
unos brazos articulados adaptados para manejar una herramienta en el
espacio. Dichos brazos presentan varios grados de libertad y, en una
35
realización, incorpora tres articulaciones motorizadas (de accionamiento en
desplazamiento y rotación), dos articulaciones pasivas y una articulación
motorizada de accionamiento en rotación de la herramienta dispuesta en el
extremo del brazo. Este sistema robótica presente el inconveniente de que no
permite un posicionamiento totalmente eficaz de la herramienta a través de la
incisión en el paciente.
5
Descripción de la invención
La presente invención propone un sistema robótica para cirugía
laparoscópica, particularmente aunque no exclusivamente, para cirugía
mínimamente invasiva. El sistema robótica de la invención presenta una
1 O
configuración notablemente más simple que los sistemas robóticas que los
que para el mismo fin se vienen utilizando hasta ahora. Además de la
simplicidad estructural del sistema robótica que se propone, la invención
presenta un sistema robótica para cirugía laparoscópica con una arquitectura
particular capaz de orientar adecuadamente una herramienta, órgano terminal
15
o efector final, tal como una pinza o dispositivo adecuado para realizar
operaciones quirúrgicas, con gran movilidad para ser introducida
adecuadamente a través de una incisión en el paciente.
El sistema robótica para cirugía laparoscópica mínimamente invasiva de la
20
invención comprende una estructura de soporte formada por una columna
vertical alrededor de cuyo eje longitudinal pueden girar los brazos. La
columna puede ir montada fija sobre una plataforma preferiblemente provista
de unas ruedas para facilitar su desplazamiento en caso de ser necesario.
Uno o más brazos robóticas se acoplan de manera deslizante verticalmente
25
en la columna. En caso de disponerse más de un brazo robótica en la
estructura de soporte, dichos brazos se acoplan con posibilidad de
deslizamiento vertical para poder regular su altura al suelo y permitir, de este
modo, posicionar una herramienta quirúrgica en la posición adecuada de
manera eficaz.
30
Cada uno de los brazos del sistema robótica comprende un primer elemento y
un segundo elemento. Ambos primer y segundo elemento están articulados
entre sí a través de un eje o articulación. Por otra parte, el primer elemento
del brazo está montado de manera giratoria en la estructura de soporte y, a
35
su vez, dicho primer elemento está adaptado para girar alrededor de su eje
longitudinal. En particular, el primer elemento del brazo está montado de
manera giratoria en una extensión solidaria de la estructura de soporte.
El segundo elemento del brazo robótico está adaptado para recibir una
articulación de por lo menos dos grados de libertad pasivos en su extremo
para el acoplamiento de una herramienta o útil quirúrgico. En el caso de
disponerse de más de un brazo robótico, los brazos pueden girar de manera
5
independiente entre sí alrededor del eje longitudinal de la estructura de
soporte. Esta arquitectura permite simplificar considerablemente el conjunto.
En algunas realizaciones de la invención, la citada articulación de por lo
menos dos grados de libertad para el acoplamiento de una herramienta
1O
puede ser de tres grados de libertad, tal como una articulación de tipo cardan.
Con ello se consigue estabilidad en un eje (normalmente el eje de la dirección
de la herramienta o instrumento) y un movimiento espacial adecuado para las
operaciones de la herramienta a través de la incisión en el paciente al
introducir dos grados de libertad pasivos en el sistema.
15
De este modo el conjunto dispone de un total de cinco grados de libertad
(cuatro más el desplazamiento vertical de la estructura de soporte para el
posicionamiento y la maniobrabilidad de la herramienta) con lo que la
herramienta puede orientarse siempre en la dirección definida por el punto de
20
penetración en la cavidad realizada en el paciente (por ejemplo, la cavidad
abdominal) por medio del trocar.
En una realización, el eje longitudinal del primer elemento del brazo robótico
puede ser por lo menos substancialmente perpendicular al eje de articulación
25
del primer elemento y el segundo elemento.
El segundo elemento del brazo puede estar formado por dos barras
dispuestas substancialmente paralelas entre sí y separadas una distancia
apropiada para disponer en las mismas y de manera articulada un extremo
30
del primer elemento del brazo. Esto permite el giro sin colisiones del primer y
el segundo elemento del brazo robótico.
Otros objetivos, ventajas y características del sistema robótico para cirugía
laparoscópica mínimamente invasiva de la invención serán claros a partir de
35
la descripción de la invención de una realización preferida. Esta descripción
se da a modo de ejemplo no limitativo y se ilustra en los dibujos que se
adjuntan.
Breve descripción de los dibujos
En dichos dibujos,
La figura 1 es un esquema de un sistema de teleoperación dotado de sistemas robóticas de acuerdo con la invención;
La figura 2 es una vista en perspectiva de una realización del sistema robótico de la invención formado por una estructura de dos brazos;
La figura 3 es una vista en perspectiva de una realización del sistema robótico de la invención; y
La figura 4 es una vista esquemática de la cadena cinemática del sistema robótico donde se muestran los grados de libertad.
Descripción de una realización preferida
En las figuras se muestra un sistema de teleoperación 100 para la realización de cirugía laparoscópica míniJ!lamente invasiva. El sistema de teleoperación 100 está formado por una estación de trabajo 11 O que incorpora dos sistemas robóticas 200 de acuerdo con la invención y una estación de teleoperación 120 para el accionamiento y control del sistema robótico 200. La estación de teleoperación 120 incluye un sistema de control tridimensional 130 para la visualización de la escena de trabajo con un factor de amplificación deseado (zoom) y un punto de vista controlable a través de los movimientos de uno de los brazos disponibles.

La estación de teleoperación 120 puede convertir las órdenes de control del operario en el accionamiento del sistema robótico 200 potenciando las capacidades manuales del operario y controlar las operaciones para conseguir más fiabilidad. Esto permite al operario accionar y controlar gestualmente, mediante los movimientos de sus brazos, los brazos robóticas articulados 21 O, 220 del sistema robótico 200. Los movimientos que el operario puede realizar con sus dos manos pueden aplicarse a unos u otros brazos 210, 220, a su voluntad, con la ayuda de unos pedales auxiliares de accionamiento (no mostrados). Los brazos robóticas 210, 220 del sistema
robótico 200 (mostrados en la figura 3) pueden ser accionados eléctricamente
para posicionar y orientar cada una de las herramientas, órganos terminales o
efectores finales 900 (tal como unas pinzas o dispositivos quirúrgicos
adecuados para realizar operaciones.
5
El nexo entre la estación de teleoperación 120 y el sistema robótico 200 se
realiza a través de una unidad de control 140. La unidad de control 140 está
configurada por una red de ordenadores que permiten efectuar el control en
tiempo real de las trayectorias de los brazos robóticas 210, 220 y la
1O
orientación de las herramientas quirúrgicas 900 controladas por los brazos
210, 220, de manera que en todo momento se ajustan a los movimientos de
las órdenes del operario. La unidad de control 140 lleva a cabo también la
coordinación de los movimientos para evitar las colisiones entre los brazos
21 O, 220 y la supervisión y corrección de les trayectorias según los criterios
15
predefinidos por el operario. La unidad de control 140 permite trabajar con
ejes de referencia flotantes, que se reinicializan en posición y orientación a
voluntad del operario para facilitar el accionamiento de la tarea en posición
del campo de trabajo vertical, aunque la operación se realice al interior de la
capacidad abdominal del paciente 600 en otras orientaciones. También
20
permite cambiar el factor de escala, para poder regular unos movimientos
centimétricos en la estación de accionamiento, a unos movimientos
milimétricos, cuando sea necesario. Dicha unidad 140 permite también definir
restricciones del volumen de trabajo de cada uno de los brazos 210, 220,
para aumentar la seguridad del paciente 600. A través de la unidad 140 es
25
posible también visualizar el espacio de trabajo útil de los brazos 21 O, 220
para facilitar un posicionamiento correcto inicial de los mismos respecto a la
mesa de operaciones 700 y respecto al paciente 600.
La señal 150 recibida de la estación de teleoperación 120 a través de unos
30
sensores magnéticos de posición 450 proporciona información 460 acerca de
las trayectorias de las herramientas 900. Otros medios de detección de la
posición, tales como sensores potenciométricos o inerciales también son
posibles. Esto permite facilitar la capacidad de movimientos del operario y
evitar las restricciones mecánicas de los accionadores 60 más usuales. Con
35
ello es posible realizar un control 600 del sistema robótico 200 y un control
650 de las herramientas 900 así como un control 660 para evitar colisiones.
La estación de trabajo 11 O comprende uno o varios sistemas robóticas 200 de
acuerdo con la invención. En la figura 3 se muestra uno de dichos sistemas
robóticas 200 en detalle. Tal como puede apreciarse, cada sistema robótica
200 comprende dos brazos 21 O, 220 montados en una estructura de soporte
5
230 común. Cada brazo 210, 220 tiene una capacidad de carga tal que
permite realizar esfuerzos de hasta 2,5 Kg y está adaptado para operar al
lado de la mesa de operaciones 700, ya sea a un lado o al otro, o bien
utilizando los dos simultáneamente, uno a cada lado de la mesa de
operaciones 700. Los brazos 210, 220 del sistema robótica 200 son capaces
1 O
de moverse en el espacio para cubrir un volumen de trabajo mínimo
apropiado. Este volumen de trabajo viene definido por el conjunto de puntos
en los que puede situarse la herramienta 900 de cada brazo 210, 220, y que
corresponde al volumen encerrado por las superficies que determinan los
puntos a los que accede la herramienta 900 con su estructura totalmente
15
extendida y totalmente plegada. En la estructura de la realización, el volumen
de trabajo mínimo corresponde a una semiesfera de 50 cm de radio centrada
.sobre un mismo centro fijo pero de altura regulable, y con precisiones
superiores a 1 mm.
20
En la realización mostrada en las figuras 2 y 3, la estructura de soporte 230
está constituida por una columna vertical 235 montada fija sobre una
plataforma 240 provista de ruedas bloqueables 245 para facilitar su
desplazamiento. La plataforma 240 comprende un tramo inferior 250 y dos
tramos superiores 260, 270, montados giratorios entre sí y respecto al tramo
25
inferior 250. El tramo inferior 250 de la estructura de soporte 230 va fijado a la
plataforma 240 para inmovilizar el sistema robótica 200 durante la
intervención. Los tramos superiores 260, 270 de la columna 235 están
montados de manera que pueden deslizar verticalmente según la dirección
vertical designada por D, es decir, substancialmente perpendicular a la
30
plataforma 240 de la estructura de soporte 230. El desplazamiento lineal
vertical D de los tramos superiores 260, 270 permite regular la altura de los
brazos robóticas 21 O, 220 al suelo de manera independiente y posicionar así
la herramienta 900 adecuadamente.
35
Por motivos de simplicidad en la descripción, en lo sucesivo se describirá la
estructura de uno de los brazos 21 O del sistema robótica 200, entendiéndose
que cada uno de dichos brazos 210, 220 presenta una configuración igual o
técnicamente equivalente.
El brazo robótico 21 O del sistema que se describe de acuerdo con la
5
invención está formado por dos elementos articulados entre sí 300, 400.
El primer elemento 300 es un cuerpo alargado que va montado en la
estructura de soporte 230 de manera que puede girar alrededor de un eje
longitudinal L 1 del primer elemento 300. Más concretamente, este primer
1O
elemento 300 va montado de manera giratoria en una extensión 265 solidaria
del tramo superior 260 (el otro brazo robótico 220 va montado de manera
giratoria en la extensión 275 correspondiente al tramo superior 270). De este
modo, el primer elemento 300 puede girar respecto a la extensión 265 del
tramo superior 260 del brazo robótico 21 O alrededor del longitudinal L 1 y
15
ambos brazos 21 O, 220 pueden girar de manera independiente alrededor del
eje longitudinal L3 de la estructura de soporte 230, es decir, de la columna
235.
El segundo elemento 400 del brazo robótico 21 O está articulado al primer
20
elemento 300 del brazo robótico 21 O a través de una articulación 280 de
modo que pueden girar alrededor de un eje L2, tal como puede apreciarse en
la figura 3. El eje longitudinal L 1 del primer elemento 300 es substancialmente
perpendicular al eje L2 de la articulación 280 del primer elemento 300 y el
segundo elemento 400.
25
Tal como puede apreciarse, el segundo elemento articulado 400 está formado
por dos barras 41 O, 420 que, en la realización de las figuras, presenta una
sección transversal elíptica. Se comprenderá, sin embargo, que las dos
barras 41 O, 420 pueden presentar otras geometrías diferentes. Las dos
30
barras 41 O, 420 se disponen paralelas entre sí separadas una cierta distancia
para permitir la articulación del segundo elemento 400 en un extremo del
primer elemento 300 impidiendo que ambos elementos 300, 400 del brazo
21 O colisionen entre sí al realizar el giro alrededor del eje L2 de la articulación
280 dispuesta en un extremo común de ambas barras 410, 420 del brazo
35
210.
El extremo opuesto 500 de ambas barras 410, 420 del brazo 210 está
adaptado para el acoplamiento de una herramienta o útil quirúrgico 900 a
través de un eje de giro L4. El eje de giro L4 evita colisiones entre la
herramienta 900 y las barras 41 O, 420 del segundo elemento 400 del brazo
5
21 O, 220. En el extremo 500 se dispone una unión mecánica 550 que permite
controlar la orientación de la herramienta 900 dentro del espacio de trabajo de
manera adecuada para las operaciones a través de la incisión en el paciente
600. Esta unión mecánica 550 es una articulación de dos o más grados de
libertad adaptada para el acoplamiento de la herramienta o instrumento
1 O
quirúrgico 900. En la realización de las figuras, la unión mecánica 550 es una
articulación de tres grados de .libertad, tal como una articulación de tipo
cardan. Esto permite introducir dos grados de libertad pasivos adicionales y
proporcionar estabilidad en un eje (normalmente el eje de la dirección de la
herramienta 900). Con ello, la herramienta 900 puede orientarse siempre en
15
la dirección definida por el punto de penetración 950 en la cavidad realizada
en el paciente 600 (por ejemplo, la cavidad abdominal), tal como se muestra
en dicha figura 4.
Puede disponerse un elemento de sujeción de los trocares de ajuste manual.
20
Este elemento de sujeción está constituido por un elemento suspensor que
puede ser fijado manualmente a la estructura de soporte 230. En su
extremidad soporta dos elementos sujetos a este elemento suspensor a
través de dos rótulas bloqueables manualmente que permiten sujetar
mediante una articulación de tipo cardan los respectivos trocares para reducir
25
los esfuerzos realizados con la herramientas o instrumento quirúrgico 900
sobre el abdomen del paciente 600.
En la figura 4 se muestra esquemáticamente la cadena cinemática de la
estructura mecánica de una realización del sistema robótico 200 de la
30
invención. Como puede apreciarse, cada brazo 210, 220 del sistema 200 es
una cadena cinemática abierta de tipo 0-G-G-G-G+cardan, de cinco grados
de libertad, que permiten un movimiento relativo de los distintos elementos
235, 300, 400, 900 entre cada dos eslabones consecutivos de la estructura.
35
Aparte de la articulación prismática (movimiento de traslación vertical D), las
cuatro articulaciones según los ejes L 1, L2, L3 y L4 son motorizadas, siendo
el desplazamiento D compartido por los dos brazos 210, 220.
Aunque la presente invención se ha descrito en la memoria y se ha ilustrado en los dibujos adjuntos con referencia a una realización preferida de la misma, el sistema robótica objeto de la invención es susceptible de diversos

5 cambios sin apartarse del ámbito de protección definido en las reivindicaciones siguientes.

Claims (1)

  1. REIVINDICACIONES
    1-Sistema robótico (200) para cirugía laparoscópica que comprende una
    estructura de soporte (230) en la cual se acopla de manera deslizante por lo
    5 menos un brazo (21 O; 220), estando formado dicho brazo (21 O; 220) por un · primer elemento (300) y un segundo elemento (400) articulados entre sí, estando montado el primer elemento (300) articulado de manera giratoria en la estructura de soporte (230), caracterizado por el hecho de que el primer elemento (300) está adaptado para girar alrededor de un eje longitudinal (L1)
    1 O y el segundo elemento (400) está adaptado para recibir una articulación de por lo menos dos grados de libertad (550) para el acoplamiento de una herramienta (900).
    2-Sistema robótico (200) según la reivindicación 1, caracterizado por el
    15 hecho de que dicho eje longitudinal (L1) del primer elemento (300) es por lo menos substancialmente perpendicular a un eje (L2) de articulación mutua del primer elemento (300) y el segundo elemento (400):
    3-Sistema robótico (200) según la reivindicación 1 o 2., caracterizado por el
    20 hecho de que la estructura de soporte (230) comprende una columna vertical alrededor de cuyo eje longitudinal (L3) pueden girar los brazos (21 O, 220).
    4-Sistema robótico (200) según la reivindicación 1, caracte'rizado por el hecho de que la articulación de por lo menos dos grados de libertad (500) 25 para el acoplamiento de una herramienta (900) es una articulación de tipo cardan.
    5-Sistema robótico (200) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que el segundo elemento articulado (400) está 30 formado por dos piezas (410, 420) en las cuales queda articulado el primer elemento del brazo (300).
    6-Sistema robótico (200) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que comprende al menos dos de dichos brazos 35 (210, 220) articulados en dicha estructura de soporte (230).
    7-Sistema robótica (200) según la reivindicación 6, caracterizado por el hecho de que dichos brazos (21 O, 220) pueden girar de manera independiente entre sí alrededor del eje longitudinal (L3) de la estructura de soporte (230).
    5 8-Sistema robótica (200) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que el primer elemento (300) está montado de manera giratoria en una extensión (265; 275) solidaria de la estructura de soporte (230).
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